芯课堂|SDRAM工作原理及时序分析

1. 简介

SDRAM是一种同步动态随机访问内存，它具有内置控制器，通过与CPU时钟同步来工作，使得数据传输更为高效。SDRAM在内存颗粒市场中占据主导地位，广泛应用于各种计算机系统和服务器中，为数据处理和存储提供了快速且可靠的支持。

SDRAM具有高速度、高密度、低功耗等优点。其内部结构采用Bank架构，允许同时进行多个读写操作，从而提高了整体性能。此外，SDRAM还具有自动刷新功能，能够确保数据在长时间内保持正确性。

华芯微特已经将SDRAM合封入芯片，合封的SDRAM大小根据芯片型号不同，具体见选型手册。

2. SDRAM结构框图

SDRAM的内部是一个存储阵列，将数据“填”进去，你可以它想象成一张表格。和表格的检索原理一样，先指定一个行（Row），再指定一个列（Column），我们就可以准确地找到所需要的单元格，这就是内存芯片寻址的基本原理。

为了详细地介绍SDRAM以及它的使用，以某一款SDRAM数据手册结构框图来分析，

内部主要构成部分如下图所示。

1） SDRAM信号线

CLK：同步时钟信号，提供SDRAM工作时钟，所有输入信号在CLK为上升沿时被采样。

CKE：时钟使能信号。时钟使能进入正常工作模式，时钟失能进入休眠模式或者自刷新模式。

CS ：片选信号，低电平有效。

CAS：列地址选通，当为低电平时地址线表示为列地址。

RAS：行地址选通，当为低电平时地址线表示为行地址。

WE：读写指令切换信号。低电平：写使能；高电平：读使能。

DQM[1:0]：输入/输出掩码信号，表示DQ数据的有效部分。当DQM在读取周期中被采样为高时，输出缓冲器被置于Hi-Z（具有2的延迟）。在写入周期中，采样DQM高电平将以零延迟阻止写入操作。

BS：BANK地址输入，选择要控制的BNAK。

A[12:0]：地址信号线，地址线A10控制着是否进行在读或写操作之后当前L-Bank自动进行预充电。

DQ[15:0] ：数据输入输出信号线。

对于DQM（Data I/O Mask）信号，每个DQM控制屏蔽8bit数据，对于这款SDRAM，它是16bit的，UDQM可屏蔽高8位，LDQM可屏蔽低8位。对于16bit的数0xDDFF，我们如果只需高8位写入，低8位不写入，在写入时可以将UDQM置低，LDQM置高。

2） SDRAM操作命令

NO-Operation：空操作命令，用于选中SDRAM，防止SDRAM接受错误的命令，为接下来的命令发送做准备。

Active (用于存储单位寻址)：激活命令，该命令必须在读写操作之前被发送，用于设置所需要的BANK和行地址 (同时设置) ，BANK地址由BS0(BA0)，BS1(BA1)决定，行地址由A0~12决定。

Read / Write：读/写命令，在发送完激活命令后，并进行读写再发送列地址就可以完成对SDRAM的寻址，并进行读写操作。

Precharge：预充电指令，用于关闭BANK中所打开的行地址，准备打开新行。进行完读写操作后，要对同一BANK的另一行进行寻址,就要将原来有效(打开)的行关闭，重新发送行/列地址。

Refresh：SDRAM存储的数据需要不断进行刷新操作才能保存，用于刷新一行数据，可以依次对所有的行进行刷新操作。CKE引脚高电平为自动刷新（Auto Refresh），CKE为低电平是自我刷新（Self Refresh）。

自动刷新:依靠刷新计数器(行地址生成器)自动依次生成要刷新的行地址刷新周期 (完成一次所有行的刷新所需要的时间) :64ms。

自我刷新:用于休眠低功耗状态下的数据保存。

Mode Register Set：设置模式寄存器。SDRAM芯片内部有一个逻辑控制单元，控制单元的相关参数由模式寄存器提供。该命令在每次对SDRAM进行初始化时都需要用到。

具体模式设置，如下图：

A0～A2：用来指定突发的长度，1,2,4,8或者全页突发。所谓的“突发”是指当我们对一个地址进行寻址并操作完成后，不必再重新对下一个地址进行寻址，而是直接进行操作。
A3：设置突发的类型，连续型和非连续型。

A4~A6：指定潜伏期的长度，可以选择延时2，3两个周期。

A9：用来指定操作模式。

3） SDRAM容量计算

SDRAM总存储容量 =行数×列数×L-Bank的数量×存储单元的容量

Row Address : A0~A11

Column Address : A0-A8

Bank = 4

Data Width=16bit

Capacity=212 x 29 x 4bank x 16bit=128Mbit

4） SDRAM上电初始化过程

1、VDD (供输入buffer和逻辑电路)和VDDQ(供输出buffer)上电，此期间CKE保持低电平。2、开始时钟并使CKE置高。

3、电源、时钟都稳定后，再等待200uS。

4、发出预充电命令。

5、发出多个 (8个以上) 刷新命令 (REF)。

6、发出模式寄存器设置命令 (MRS)，初始化模式寄存器 (DDR2 中还有EMRS，进行ODT.OCD等功能的设置和调整)。

5） SDRAM时序

这里从SDRAM手册截取读时序进行分析，这里需要参考下图的操作命令具体值与时序图一起分析。

1. 读时序(Burst Length = 4, CAS Latency = 3, Auto-Precharge))

读取数据过程：

1) 发送激活命令，设置行地址和Bank地址。

2) 设置列地址，发送读命令。

3) 将A10地址线拉高，自动预充电使能。

4) 开始执行预充电。

5) 完成数据读取。。

          2.写时序（Auto-Precharge Write，Burst Length = 4)

写过程跟读取类似：

1) 发送激活命令，设置行地址和Bank地址。

2) 设置列地址，发送写命令。

3) 将A10地址线拉高，自动预充电使能

4) 开始执行预充电。

5) 完成数据写入。